自動(dòng)噴油嘴螺栓擰緊及高度檢測(cè)機(jī)的研究與應(yīng)用

山東中車同力達(dá)智能機(jī)械有限公司 濟(jì)南 250022

0 引言

螺紋連接是發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程中應(yīng)用最廣泛的連接工藝，在裝配過程中具有高精度、裝配方便、零件拆卸便利、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。由于裝配噴油嘴的螺栓分布不規(guī)則，在裝上噴油器固定板及螺母、壓緊噴油器過程中，噴油器固定板螺母需先采用氣動(dòng)扳手預(yù)緊后，定力矩扳手?jǐn)Q緊至工藝要求力矩的方法，力矩均勻性無法得到保證，需要人工復(fù)緊來確保力矩值，裝配質(zhì)量無法保證，生產(chǎn)效率低，存在錯(cuò)漏裝或力矩漏上緊等隱患。在裝配完成后，還需要人工對(duì)噴油器凸出發(fā)動(dòng)機(jī)底面的高度進(jìn)行檢測(cè)，只有兩者都滿足工藝要求，該部位的安裝才能達(dá)標(biāo)。但由于噴油器凸出高度不易控制，導(dǎo)致裝配合格率低，反復(fù)拆卸時(shí)間長(zhǎng)，影響生產(chǎn)。本文針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)裝配車間現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)缸型噴油嘴安裝的情況，設(shè)計(jì)了五軸噴油器螺栓擰緊及凸出高度檢測(cè)設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱設(shè)備），滿足了該車間目前19種類型缸蓋噴油嘴的自動(dòng)裝配要求。

1 總體結(jié)構(gòu)

設(shè)備為一體式底座機(jī)構(gòu)，龍門式骨架，保證整體結(jié)構(gòu)的剛性；在發(fā)動(dòng)機(jī)擰緊位置安裝夾緊機(jī)構(gòu)，防止擰緊過程中發(fā)動(dòng)機(jī)晃動(dòng)；采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密滾珠絲杠，拖動(dòng)擰緊機(jī)構(gòu)在水平軌道上移動(dòng)，定位精度高，能夠很好的適應(yīng)多數(shù)量噴油嘴的發(fā)動(dòng)機(jī)。舉升定位機(jī)構(gòu)采用氣缸控制，動(dòng)作快速準(zhǔn)確。設(shè)備布局如圖1所示。

2 擰緊軸結(jié)構(gòu)

擰緊軸用于擰緊噴油嘴壓板和高壓連接管的螺栓，5根高精度軸按噴油嘴分布布局如圖2所示，兩軸垂直90°布置，且兩軸中心距可調(diào)，兩軸傾斜70°，高壓連接管擰緊軸為彎頭傾斜布置。氣缸1用于軸1、軸2的升降，氣缸2用于擰緊軸1、2中心距切換，氣缸3用于擰緊軸4、5升降，氣缸4用于擰緊軸5進(jìn)退。通過不同的氣缸動(dòng)作可以快速切換需要的擰緊軸到達(dá)指定位置，以便能夠適應(yīng)不同的缸蓋類型。

3 檢測(cè)機(jī)構(gòu)

高度檢測(cè)為該設(shè)備另一個(gè)核心機(jī)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋底面加工公差為±1 mm，每次測(cè)量公差要求為±0.1和±0.2 mm等多種，噴油嘴凸出高度定義為噴油器油嘴凸出缸蓋底面的垂直距離，如圖3所示。

凸出高度測(cè)量基準(zhǔn)為油嘴周邊的缸蓋底面，如圖4所示區(qū)域。

為了能夠兼容兩種基準(zhǔn)面，設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)如下：檢測(cè)基準(zhǔn)塊、彈簧伸縮機(jī)構(gòu)、U形塊、位移傳感器、升降氣缸安裝于支撐鋼結(jié)構(gòu)上，自然狀態(tài)下，檢測(cè)基準(zhǔn)塊稍高于U形塊上表面。工作時(shí)：升降氣缸推出，U形塊、檢測(cè)基準(zhǔn)塊與發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量基準(zhǔn)面貼合，檢測(cè)基準(zhǔn)塊通過壓縮彈簧伸縮機(jī)構(gòu)，使位移傳感器有一定的壓縮量，記錄此時(shí)數(shù)值，并以此數(shù)值為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)。擰緊軸在擰緊噴油嘴過程中，隨著噴油嘴的不斷伸出，位置傳感器實(shí)時(shí)記錄伸出數(shù)值。檢測(cè)結(jié)構(gòu)見圖5。

4 控制系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

該設(shè)備正常生產(chǎn)時(shí)為全自動(dòng)無人工位，通過線體PLC下發(fā)到達(dá)指定工位的發(fā)動(dòng)機(jī)條碼和發(fā)動(dòng)機(jī)類型至主控PLC，兩個(gè)PLC之間采用S7通訊協(xié)議；主控PLC獲取到發(fā)動(dòng)機(jī)類型后，根據(jù)程序設(shè)置自動(dòng)運(yùn)行相應(yīng)的程序，通過Profibus DP與ATLAS控制器、位移傳感器控制器及伺服控制器進(jìn)行通訊，從而控制擰緊過程、獲取凸出高度以及控制伺服移動(dòng)到相應(yīng)的位置，通過HMI顯示設(shè)備狀態(tài)及運(yùn)行結(jié)果，PC機(jī)內(nèi)軟件可以顯示并保存當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障記錄以及擰緊結(jié)果等相關(guān)的信息。整個(gè)控制系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖6所示。

4.2 系統(tǒng)組態(tài)

使用西門子博途V13軟件編程，ATLAS控制器、基恩士GT2系列位移傳感器需要提前安裝對(duì)應(yīng)的GSD文件。PLC采用西門子S7-315-2PN/DP，即可以使用Profibus DP總線也可以通過Profinet接口與線體PLC使用S7協(xié)議進(jìn)行通訊；觸摸屏（HMI）使用精智面板TP1200；伺服系統(tǒng)選擇西門子S120系列產(chǎn)品。

4.3 伺服系統(tǒng)

工位節(jié)拍為90 s，為了滿足快速、精確移動(dòng)要求，采用S120系列產(chǎn)品，使用西門子Simotion Scout軟件組態(tài)并配置參數(shù)。通過111報(bào)文來實(shí)現(xiàn)Basic Position基礎(chǔ)定位的功能，包括伺服的點(diǎn)動(dòng)、回零、限位、程序步、MDI等。

4.4 位置檢測(cè)

位移傳感器采用基恩士GT2系列產(chǎn)品，通過放大器單元和Profibus DP應(yīng)對(duì)通訊單元連接，然后與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。該產(chǎn)品分辨率達(dá)到0.5μm，超過2億次的檢測(cè)次數(shù)，且能夠在較為嚴(yán)苛的環(huán)境下使用，非常適合該設(shè)備工位應(yīng)用條件。位移系統(tǒng)連接如圖8所示。

4.5 擰緊系統(tǒng)

設(shè)備采用Atlas PowerMacs 4000系列擰緊系統(tǒng)，該系統(tǒng)能為各種裝配部件中的擰緊操作提供完美的解決方案[3]，使用含2個(gè)帶Profibus DP通訊板卡的主控制器、3個(gè)副控制器以及一個(gè)電源控制器。副控制器和主控制器之間采用以太網(wǎng)連接，再通過主控制器連接到設(shè)備交換機(jī)上。

4.6 HMI

TP1200屬于Simatic精智面板系列，支持多種通信方式，可以通過Profinet、Profibus接口連接到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)中，軟件組態(tài)設(shè)計(jì)包含添加變量、畫面組態(tài)及變量關(guān)聯(lián)[4]。依據(jù)該設(shè)備需求設(shè)置不同的界面，分為顯示和控制兩大部分，詳細(xì)功能劃分如圖9所示。

5 程序流程

整個(gè)設(shè)備的工作流程主要為：噴油器進(jìn)入預(yù)組裝工位→人工選墊片并手動(dòng)擰螺母2～3牙→人工根據(jù)產(chǎn)品型號(hào)選擇更換套筒→線體放行噴油器進(jìn)入擰緊工位，線體擋停托盤及缸蓋（含噴油器）→托盤及缸蓋（含噴油器）舉升定位、夾緊→擰緊機(jī)依據(jù)線體PLC下發(fā)的缸蓋型號(hào)自動(dòng)選擇擰緊軸、擰緊工藝及相應(yīng)位置信息→擰緊機(jī)套筒認(rèn)帽→擰緊軸開始擰緊→按預(yù)先設(shè)置的程序開始力矩法擰緊；擰緊同時(shí)進(jìn)行噴油器凸出高度檢測(cè)→如果擰緊合格，且凸出高度也合格，綠色指示燈亮，擰緊結(jié)束，設(shè)備通過伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)到下一組擰緊位置→如果擰緊結(jié)果或者凸出高度有一個(gè)不合格，則根據(jù)凸出高度偏大還是偏小旋轉(zhuǎn)執(zhí)行不同的返修工藝，如果偏大時(shí)反松不合格螺栓，重新更換墊片，并二次擰緊，如果偏小繼續(xù)擰緊至扭矩上限，如果仍不合格，紅色指示燈亮，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，進(jìn)入偏大過程處理。具體流程如圖10所示。

其中流程圖中步驟“軸選擇”和“擰緊程序選擇”需要根據(jù)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋類型輸出不同的擰緊軸組合，例如6個(gè)噴油嘴的發(fā)動(dòng)機(jī)需要使用到圖2中標(biāo)示的擰緊軸3、4和擰緊軸5，那么程序在此選擇時(shí)，輸出氣缸3和氣缸4，其他缸蓋類型根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行控制。

6 結(jié)語

噴油嘴凸出高度關(guān)系到燃油的霧化質(zhì)量，裝配過程中螺栓的擰緊工藝和凸出高度是兩個(gè)重要因素，應(yīng)用高精度位移傳感器通過非標(biāo)工裝檢測(cè)凸出高度，采用ATLAS控制器擰緊，設(shè)計(jì)了全自動(dòng)噴油器擰緊及凸出高度檢測(cè)設(shè)備并投入使用，該設(shè)備可以滿足不同缸型多品種、小批量的混線生產(chǎn)要求，極大提高了生產(chǎn)效率，降低了工位節(jié)拍，有效的改變了以往人工操作方式，極大的提高了生產(chǎn)線的智能化水平，為企業(yè)創(chuàng)造良好的效益。